传动系统用TC4钛合金的缺陷容限性能

航空材料的缺陷容限性能是航空产品结构设计的重要依据。以直升机传动系统用TC4钛合金作为对象,开展材料冲击和划痕两种预损伤条件下的缺陷容限性能研究。选取缺陷容限设计典型缺陷尺寸参数制备疲劳试样并开展高周疲劳S-N曲线测试,结果表明:缺陷显著降低TC4钛合金的疲劳极限值,在相同缺陷深度条件下,划痕缺陷的缺陷影响系数Kflaw值为2.29,显著高于冲击坑缺陷的Kflaw值1.75。通过对典型试件断口进行分析,获得划痕和冲击坑缺陷疲劳裂纹萌生和扩展规律。其中划痕缺陷失效以多源特征为主,萌生于划痕缺口根部;而冲击坑缺陷疲劳裂纹萌生特征随疲劳加载应力变化,高应力下呈现多源特征,裂纹萌生于缺口表面,低应力下裂纹萌生于缺口次表面位置。

7N01-T4铝合金腐蚀疲劳行为研究

开展了7N01-T4铝合金在实验室空气、潮湿空气和3.5%Na Cl盐雾环境下的疲劳S-N曲线测试,研究了这2种腐蚀介质对7N01-T4铝合金疲劳性能的影响。结果表明:7N01铝合金在2种腐蚀介质下缺口敏感度系数比实验室空气环境下的缺口敏感度系数出现不同程度的下降,其中潮湿空气环境下缺口敏感度系数的影响大于3.5%Na Cl盐雾环境;2种试样形式(Kt=1和Kt=3)无论是在潮湿空气环境下还是盐雾环境下的腐蚀影响系数相当接近,3.5%Na Cl盐雾环境腐蚀影响系数小于潮湿空气环境;潮湿空气环境和3.5%Na Cl盐雾环境DFR值均有不同程度下降,3.5%Na Cl盐雾环境对DFR值的影响大于潮湿空气。

温度对7N01-T4铝合金疲劳行为的影响

开展了7N01-T4铝合金在实验室空气下室温、100℃和-60℃3种温度条件的疲劳S-N曲线测试,研究了不同温度对7N01-T4铝合金疲劳性能的影响。结果表明:-60℃环境对7N01-T4铝合金疲劳性能是有益的,而100℃环境会降低其疲劳性能;7N01-T4铝合金在室温、100℃和-60℃环境下的缺口敏感度系数分别为0.63、0.60和0.59,这3种温度环境对7N01-T4铝合金敏感度系数基本没有影响;100℃环境Kt=1和Kt=3下的DFR值比室温分别下降24%和16%;-60℃环境Kt=1和Kt=3下的DFR值比室温分别提高42%和14%。

2024高强铝合金腐蚀小裂纹行为研究

本文研究了2024-T62高强铝合金在带有腐蚀预损伤的基础上的腐蚀小裂纹行为。小裂纹试验采用单边缺口拉伸试样(SENT),在试样半圆形缺口根部预制直径大小为100～300μm的单腐蚀坑,然后在3.5%NaCl溶液中进行疲劳小裂纹试验。采用QUESTAR长焦距显微镜与摄像机相结合的QUESTAR-CCD监测腐蚀小裂纹的萌生及扩展情况。试验结果表明,小裂纹绝大多数萌生在缺口根部腐蚀坑位置,并呈半椭圆形的表面裂纹;该材料在R=0.06恒幅载荷下,小裂纹效应不明显;对应可观测到的最小裂纹长度为6～60μm,裂纹起始寿命约占疲劳寿命的15%～25%。

飞机日历寿命试验的介质成分确定和加速方法

针对飞机使用环境,研究了飞机日历寿命试验中的腐蚀介质成分确定方法和加速方法。进行了5℃,25℃,50℃这3种温度和4种介质浓度下的30CrMnSiA结构钢和LY12CZ铝合金两种金属的纯腐蚀和腐蚀疲劳试验研究。得到的试验曲线表明,它们的腐蚀动力学规律都近似遵循线性关系,每条曲线的腐蚀速度也基本保持不变。从而认为,飞机日历寿命试验介质成分最好选用飞机所在机场使用环境的各腐蚀介质成分,加速腐蚀试验的最好方法,就是在此机场的各介质成分上加权,加权越高,加速越快。这个结论得到了试验验证。

盐雾环境中高强铝合金点腐蚀行为与暴露面积的关系

针对中性盐雾环境中2A12和7B04铝合金在不同暴露面积(模拟铝合金表面涂层或者膜层破坏暴露的部分)的点腐蚀特征开展研究,测量观察不同情况下铝合金的点腐蚀坑开口面积、腐蚀深度和点腐蚀坑数量等腐蚀参数。研究表明,在中性盐雾环境中,当暴露面积小于25mm2时,2A12和7B04铝合金的点腐蚀坑最大开口面积随暴露面积的增大而增大;当暴露面积小于4mm2时,2A12铝合金的最大腐蚀深度随着暴露面积的增大而增大,而7B04铝合金的最大腐蚀深度在暴露面积小于100mm2时随着暴露面积的增大而增大。对腐蚀产物进行成分分析可知2A12铝合金的腐蚀产物主要由O,Al,Mg,Cu组成,而7B04铝合金的腐蚀产物主要由O,Al,Mg,Zn组成,腐蚀产物组成不同造成其结构不同,结构的差别使铝合金的点腐蚀行为受到不同的影响。

典型高强铝合金材料的点腐蚀坑前缘特征的研究

针对2024和7B04两种典型高强铝合金的点腐蚀坑的前缘微观结构进行了研究。发现:在3.5%NaC l溶液腐蚀环境下,经过不同的腐蚀时间,这两种铝合金材料的点腐蚀坑在扩展速度、坑的形态类型、腐蚀坑的前缘微裂纹及形貌特征等方面具有明显不同。对于点腐蚀坑前缘特征的形成机理以及点腐蚀坑对这两种材料的疲劳性能影响也进行了分析讨论。同时将分形理论应用于腐蚀坑前缘的特征分析,求得了腐蚀坑截面轮廓分形维数。

在25℃和-40℃环境下的三种航空材料的裂纹扩展品质研究

为了探讨室温和低温环境下的航空金属材料的裂纹扩展特性,进行了-40℃和25℃两种温度环境下的LY12CZ,LC4CS和30CrMnSiNi2A3种材料的a-N和da/dN-△K曲线的对比试验研究。从试验结果比较得出,这3种材料在-40℃的a-N曲线和da/dN-△K曲线全部高于25℃下的a-N曲线和da/dN-△K曲线,说明这3种材料在-40℃环境下的裂纹扩展速率要比在25℃(常温)下的裂纹扩展速率要低,即同样材料在同一载荷谱作用下,低温环境下的裂纹扩展寿命要高于常温环境下的裂纹扩展寿命。

盐水环境下高强铝合金暴露面积对腐蚀行为的影响

对2A12和7B04两种高强铝合金在不同暴露面积时的点腐蚀特征进行了研究,并引入表面腐蚀损伤度对铝合金的腐蚀损伤进行量化表征,通过图像处理得到的腐蚀形貌二值图来计算其腐蚀损伤度。结果表明:在3.5%(质量分数)NaCl盐水浸渍实验环境中,这两种铝合金材料发生点腐蚀与其暴露面积有关,而且存在着一个发生点腐蚀的暴露面积临界值。随着试样暴露面积的增大,铝合金的表面腐蚀损伤度呈增加趋势;当暴露面积小于发生点腐蚀的暴露面积临界值时,则没有明显的点腐蚀特征;另外,铝合金材料不同该暴露面积临界值也不同。

局部包铝层对铝合金疲劳板材盐雾环境中点腐蚀的影响

研究了在3.5%NaCl水溶液(质量分数,下同)中性盐雾环境中,带有局部包铝层的2024和7B04高强铝合金轴向疲劳板材光滑试样的腐蚀。发现疲劳试样表面的局部包铝层不仅保护其覆盖区域不被腐蚀,同时也间接减轻了其未覆盖区域的腐蚀程度。这主要是由于局部包铝层的存在减小了其未覆盖区域的腐蚀面积,而铝合金腐蚀面积的减小会造成腐蚀程度降低。腐蚀面积的变化对2024铝合金影响较小,造成腐蚀深度的减小;对7B04铝合金影响较大,可以使其不发生点腐蚀。

在25℃和-40℃环境下的3种航空材料的疲劳品质研究

为了研究低温和常温环境下的航空金属材料的疲劳品质,进行了-40℃和25℃2种温度环境下的LY12CZ,LC4CS和30CrMnSiNi2A 3种材料的S-N曲线的对比试验研究。通过S-N曲线的对比,可以看出3种材料在-40℃下的S-N曲线全部高于常温25℃下的S-N曲线；从试验寿命上比较,-40℃的裂纹形成寿命,在中等寿命区,比常温25℃下的裂纹形成寿命平均高3倍。这说明低温环境可提高裂纹形成寿命。

腐蚀预损伤铝合金的疲劳行为研究进展

腐蚀损伤是老龄飞机所面临的一个关键问题,是引发裂纹萌生、扩展并导致飞机结构失效的重要原因,对铝合金的疲劳寿命起决定性作用;腐蚀预损伤如何影响铝合金的疲劳行为是建立含腐蚀损伤铝合金疲劳寿命预测方法的基础,是近年来航空界疲劳断裂领域研究的热点和难点。综述了近年来国内外关于腐蚀预损伤铝合金,尤其是在点蚀情况下的疲劳裂纹萌生和扩展行为方面的研究现状和取得的研究成果,它们是基于断裂力学方法进行含腐蚀损伤铝合金疲劳全寿命预测的技术基础。

2524铝合金包铝层在模拟油箱积水环境中结垢及其对腐蚀行为的影响

基于飞机油箱舱内铝合金在油箱积水环境中发生的结垢及腐蚀行为,采用电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和视频显微镜等设备研究了带包铝层的2524铝合金在模拟油箱积水环境中的结垢及其对腐蚀行为的影响。结果表明:2524铝合金包铝层在模拟油箱积水环境中的结垢行为分为两个阶段,浸泡初期主要为胶体铁在试样表面的沉聚,浸泡中后期则以难溶的金属氢氧化物沉积为主,且结垢面积随时间按照特定的幂函数变化;在浸泡前24h,结垢产物促进铝合金的腐蚀,在24h以后,结垢产物对铝合金包铝层的腐蚀起到一定的抑制作用。

温度对2CrMo转子钢低周疲劳性能的影响

在室温和高温(450,500,566℃)下对2CrMo转子钢进行了应变控制的低周疲劳试验,得到了该钢应变-寿命关系式及循环稳定应力-应变曲线,研究了温度对低周疲劳性能的影响,并观察了疲劳断口形貌。结果表明:在试验温度下,试验钢均出现了循环软化现象;随着温度的升高,试验钢的疲劳循环强度系数及循环应变硬化指数下降,同一应变下的低周疲劳寿命缩短;其疲劳断口中疲劳辉纹的间距随温度的升高而增大,塑性变形增大。

反应堆压力容器用低合金钢焊丝焊态熔敷金属疲劳性能研究

采用一种免焊后热处理的回火焊道焊接工艺在碳钢试板上进行反应堆压力容器用低合金钢焊丝堆焊工艺试验,获取低合金钢焊丝焊态熔敷金属。根据ASTM E466和ASTM E606标准对焊态熔敷金属进行室温下低周和高周疲劳性能试验,并使用Coffin-Mansion方程与三参数方程拟合焊态熔敷金属低周疲劳和高周疲劳寿命曲线。同时,根据核电设备设计规范RCC-M中推荐的修正系数对试验获得的疲劳曲线进行修正,获得修正后的S-N曲线,并与RCC-M规范中低合金钢疲劳设计曲线进行对比。试验结果表明:基于RCC-M修正后的焊态熔敷金属低周疲劳S-N曲线与RCC-M中的低合金钢低周疲劳设计曲线基本重合;基于RCC-M修正后的焊态熔敷金属高周疲劳S-N曲线位于RCC-M中的低合金钢高周疲劳设计曲线之上。

TC4钛合金外物损伤后疲劳行为研究

针对发动机一级盘用材料冲击损伤后的高周疲劳性能需求,对TC4钛合金在外物损伤后的疲劳行为开展研究。采用空气炮法制备含3种不同程度外物损伤的TC4钛合金试样并统计损伤尺寸,对无冲击损伤和含外物损伤的试样进行疲劳试验,获得S-N曲线,观察疲劳裂纹萌生位置。结果表明:更快的冲击速度和更大的弹丸直径会形成更大的FOD损伤;外物冲击改变裂纹萌生位置;通过损伤尺寸的统计与疲劳性能的对比发现,试样宽度方向的损伤尺寸是影响疲劳寿命的最主要因素。

用直流电压降法研究高温下GH3230合金的疲劳裂纹扩展行为

采用直流电压降法对GH3230合金进行了高温下的疲劳裂纹扩展试验,分析了温度及应力强度因子对GH3230合金疲劳裂纹扩展速率的影响,并利用扫描电子显微镜对断口进行分析。结果表明:在相同的应力强度因子下,随着温度的升高,合金的裂纹扩展速率增大;温度从750℃升高到850℃时,裂纹扩展速率明显增大,从850℃升高到950℃时,小应力强度因子下的裂纹扩展速率相差不大,随着应力强度因子的增大和温度的升高,裂纹扩展速率的差距增大;观察断口表面可知,在裂纹扩展区和瞬断区,断口表面呈现典型的疲劳辉纹和韧窝特征,随着温度的升高,断口表面的氧化物颗粒增多,裂纹扩展区的疲劳辉纹不明显。

含腐蚀预损伤铝合金2024-T62的疲劳断裂行为及基于断裂力学的寿命预测

针对2024-T62铝合金薄板系统地开展了腐蚀预损伤对材料疲劳SN曲线、小裂纹萌生行为、长短疲劳裂纹扩展及物理小裂纹门槛值扩展行为的影响等试验研究。结果表明:腐蚀预损伤对材料疲劳S-N曲线及材料疲劳小裂纹萌生行为有明显的影响,但对材料长短裂纹扩展及物理小裂纹门槛值扩展行为没有明显的影响。通过假定腐蚀预损伤为初始小裂纹,基于断裂力学理论,利用FASTRAN3.9软件预测了含腐蚀预损伤材料的疲劳S-N曲线。研究发现,预测与试验结果吻合较好。当材料含有较大尺寸的腐蚀预损伤时,对其进行寿命预测可以不考虑小裂纹效应的复杂影响。

7075铝合金在不同温度盐水环境中的腐蚀疲劳行为

基于飞机结构材料7075铝合金在沿海地区服役时海水飞溅及曝晒导致的高温腐蚀疲劳损伤问题,研究了7075铝合金在35,55,75℃下3.5%NaCl溶液环境中的腐蚀疲劳寿命,并使用扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌,探讨了温度对腐蚀疲劳裂纹萌生扩展的影响机理。结果表明:同一应力水平下,温度越高,腐蚀疲劳寿命越短,300MPa时35,55,75℃下的中值寿命分别为33 001,30 931,15 346次循环。腐蚀损伤和疲劳损伤存在竞争关系,应力水平较高时,腐蚀较轻,试样寿命主要受应力水平影响,疲劳源多从铝合金基体与包铝层结合处萌生;应力水平较低时,腐蚀较严重,疲劳寿命随温度升高明显下降,疲劳源多从腐蚀坑处萌生。断口形貌显示高温环境主要通过加速腐蚀坑的形成来影响疲劳源的萌生,深坑状腐蚀坑应力集中严重,对疲劳性能伤害大。

不同厚度铝合金试样的应力腐蚀开裂特性研究

鉴于试样厚度对2024-T351铝合金材料的应力腐蚀开裂门槛值KISCC的影响及实际工程应用中厚壁构件的应力腐蚀敏感性评价等问题,选取能够代表实际工程应用中构件壁厚的40 mm厚双悬臂梁(DCB)试样和标准(GB 15970.6-2007)中规定的26 mm厚DCB试样,进行了应力腐蚀断裂特性研究。结果表明,40 mm厚试样得到的材料的应力腐蚀开裂门槛值KISCC值大于26 mm厚试样得到的KISCC。对S-L取向试样,40 mm厚和26 mm厚试样的应力腐蚀开裂门槛值KISCC差别不大,差异在4%左右;对S-T取向试样,40 mm厚和26 mm厚试样的KISCC值差别明显,差异在24%左右。在DCB试样应力腐蚀断口表面发现有纤维状的腐蚀产物生成,经过能谱仪(EDS)及X射线衍射(XRD)分析,纤维状的腐蚀产物是氢氧化铝。纤维状腐蚀产物的生成降低了DCB试样裂纹尖端腐蚀产物的积累,从而减轻了腐蚀产物楔形作用对应力腐蚀开裂门槛值KISCC的影响,提高了材料抗应力腐蚀的能力。并且40 mm厚DCB试样应力腐蚀断口表面的纤维状腐蚀产物明显多于26 mm DCB试样,这也是40 mm厚试样的应力腐蚀开裂门槛值大于26 mm试样的一个原因。在应力腐蚀开裂过程中,由于DCB试样裂纹尖端发生阳极反应,与主体溶液形成小阳极大阴极体系,使试样裂纹尖端呈酸性,而主体溶液呈碱性。40 mm厚试样的裂纹尖端pH约3.0,26 mm厚试样的裂纹尖端pH约3.6,厚板试样裂纹尖端处溶液酸化更严重。